摘要 按照傳統(tǒng)方法設(shè)計了一個截止頻率為3 GHz，通帶波紋不大于0．5 dB。利用缺陷地單元(DGS)的帶阻特性對傳統(tǒng)設(shè)計方法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的濾波器完全滿足設(shè)計要求，并使濾波器尺寸大幅減小。
關(guān)鍵詞 低通濾波器；DGS單元；微帶線

    濾波器是通信系統(tǒng)中重要器件之一，在信號收發(fā)裝置中可濾除寄生干擾，實現(xiàn)信道選擇，可選擇性地讓具有某些頻率的信號通過，抑制不需要的率信號，保證通信的準(zhǔn)確無干擾，對通信系統(tǒng)的整體性能起著重要作用。目前移動通信和無線通信系統(tǒng)都趨向設(shè)備小型化、低能耗、低成本方向發(fā)展。隨著微電子工藝的發(fā)展，通信系統(tǒng)中許多部件可以集成在一起，惟有濾波器和天線要使用外接獨立元件，濾波器的小型化和集成化顯得尤為迫切。
    文中通過分析半圓形缺陷地單元的帶阻特性，提出了一種新的改進(jìn)方案，用兩個半圓形缺陷地單元代替濾波電路中的電感，使濾波電路中節(jié)省了兩個單位單元，使濾波器電路結(jié)構(gòu)緊湊。與傳統(tǒng)方法相比，在保證性能的情況下，外形尺寸減小了40％，更能適應(yīng)微波器件小型化的趨勢。

1 低通濾波器的設(shè)計
    微帶線重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、便于集成，廣泛應(yīng)用于各種通信電路中。文中使用微帶線設(shè)計了一個截至頻率為3 GHz的低通濾波器，通帶內(nèi)波紋為0．5 dB，帶外6 GHz處的衰減≥20 dB。
    文中選用5階0．5 dB等波紋的契比雪夫濾波電路，采用的首個元件為并聯(lián)電容濾波電路。通過查契比雪夫濾波器電路的參數(shù)表可以確定g1=1．703 8，g2=1．229 6，g3=2．504 8，g4=1．229 6，g5=1．703 8。用并聯(lián)終端開路、長度為λ0／8的傳輸線替代電容；用終端短路、長度為λ0／8的微帶線代替電感；采用歸一化頻率，通過式
   
    可得傳輸線的阻抗分別為Z1=Z5=0．586 2 Ω，Z2=Z4=1．229 6 Ω，Z1=0．393 6 Ω。采用Kuroda規(guī)則進(jìn)行電路變換，將串聯(lián)的兩段終端短路的傳輸線變換為終端開路的傳輸線，再插入單位單元將傳輸線兩兩分開。最后從歸一化變換為50 Ω，即把電路的阻抗擴(kuò)大50倍。把微帶線的介質(zhì)厚度設(shè)定為1 mm，介電常數(shù)設(shè)為2．7，根據(jù)微帶線的特性阻抗計算公式可以算出各個終端開路的傳輸線寬度和3 GHz頻率的λ0／8的
長度l，計算結(jié)果如表1所示，濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 DGS單元
    DGS單元是在微帶線下方接地金屬板上蝕刻兩個對稱的正方形，中間用狹窄的溝槽相連。這里采用半圓形DGS，該單元可以等效一個串聯(lián)的并聯(lián)LC諧振電路，根據(jù)微波電路理論可以計算得出等效諧振電路的電容電感如下
   
    式中，ωc為3 dB的截止頻率；ω0為阻帶的諧振頻率；Z0為微帶線的特性阻抗。
    半圓形DGS單元蝕刻半徑的大小和溝槽的寬度不同，等效諧振電路的電容和電感也會產(chǎn)生變化，從而改變DGS的阻帶頻率。文中使用HFSS10分析DGS單元的半徑、溝槽寬度和阻帶頻率的關(guān)系。
2．1 DGS單元的半徑和阻帶頻率的關(guān)系
    保持溝槽寬度W=0．3 mm不變，使DGS單元的半徑在2～4 mm以步長0．5 mm變化，分析DGS單元的S21參數(shù)。如圖2所示，隨著半徑的不斷增大，DGS的阻帶頻率不斷降低。這是因為隨著半徑增大，等效諧振電路的電感也增大，致使DGS的阻帶頻率降低。

2．2 DGS單元溝槽寬度及阻帶頻率關(guān)系
    保持半徑R=3 mm不變，使溝槽寬度從0．2～0．5 mm以步長0．1 mm增大，分析DGS單元的S21參數(shù)。如圖3所示，隨著溝槽寬度的增大，DGS的阻帶頻率不斷增大。

    從上述分析可知，半圓型DGS的諧振頻率與半徑R和槽道寬度W有關(guān)。諧振頻率與半徑R成反比，與槽道寬度W成正比?？梢酝ㄟ^改變DGS的缺陷半徑和槽道寬度改變等效電感和等效電容，從而改變諧振頻率來實現(xiàn)所需的特性。

3 低通濾波器的改進(jìn)和仿真
    文中設(shè)計思路是用DGS單元替代傳統(tǒng)低通濾波器的電感，利用DGS單元的帶阻特性能抑制高次諧波，拓寬濾波器的阻帶寬度。同時，可以減少傳統(tǒng)設(shè)計方法的單位單元，有效減小濾波器的尺寸。改進(jìn)的濾波器結(jié)構(gòu)如圖4所示。利用HFSS10的仿真優(yōu)化功能，可以確定各傳輸線和DGS單元的尺寸如表2所示。其中缺陷地單元的槽寬W為0．3mm，半圓半徑R為3．27mm。

    使用HFSS10對改進(jìn)前后的濾波器進(jìn)行仿真計算，改進(jìn)前后濾波器的S參數(shù)如圖5和圖6所示，對比圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后濾波器與傳統(tǒng)方法設(shè)計的濾波器在性能方面沒有明顯差異，驗證了濾波器改進(jìn)方法的可行性。

4 結(jié)束語
    文中按照傳統(tǒng)方法設(shè)計了一個截止頻率為3 GHz的低通濾波器，利用DGS的帶阻特性，有效濾除了高次諧波，對傳統(tǒng)低通濾波器的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)，在保證濾波器性能的前提下減小了濾波器的尺寸。對比前后的尺寸可以看出，由7．9cm減小到4．56cm，尺寸減小了40％。